Los científicos realizan la primera prueba de un sistema de navegación inalámbrica de rayos cósmicos: Ars Technica

El GPS es ahora un pilar de la vida diaria, ayudándonos a determinar ubicaciones, navegar, rastrear, mapear y tiempo en un amplio espectro de aplicaciones. Pero tiene algunas fallas, la más notable es que no puede atravesar edificios, rocas o agua. Es por eso que investigadores japoneses han desarrollado un sistema de navegación inalámbrico alternativo que se basa en rayos cósmicos, o muones, en lugar de ondas de radio, según un Nueva tarjeta publicado en la revista iScience. El equipo realizó con éxito su primera prueba y algún día el sistema podría ser utilizado por equipos de búsqueda y rescate, por ejemplo, para guiar a los robots bajo el agua o ayudar a los vehículos autónomos a navegar bajo tierra.

«Los muones de rayos cósmicos caen por igual en la Tierra y siempre viajan a la misma velocidad sin importar la materia por la que pasan, incluso penetrando kilómetros de roca». dijo el coautor Hiroyuki Tanaka De Muographix en la Universidad de Tokio en Japón. «Ahora, utilizando muones, hemos desarrollado un nuevo tipo de GPS, al que llamamos sistema de posicionamiento muométrico (muPS), que funciona bajo tierra, en interiores y bajo el agua».

Como se informó anteriormente, existe una larga historia de uso de muones para imagen de estructuras arqueológicas, un proceso facilitado porque los rayos cósmicos proporcionan un suministro constante de estas partículas. Incluso los muones están acostumbrados. cazar transporte ilegal materiales nucleares en los cruces fronterizos y monitorear volcanes activos con la esperanza de detectar cuándo podrían entrar en erupción. En 2008, científicos de la Universidad de Texas, Austin, reutilizó viejos detectores de muones para buscar posibles ruinas mayas ocultas en Belice. Físicos del Laboratorio Nacional de Los Álamos han desarrollado versiones portátiles de sistemas de imágenes de muones para descubrir los secretos de la construcción de la cúpula (La Cúpula) sobre el Catedral de Santa María del Fiore en Florencia, Italia, diseñado por Filippo Brunelleschi a principios del siglo XV.

En 2016, los científicos utilizaron imágenes de muones señales capturadas apuntando a un corredor escondido detrás de los famosos bloques de chevron en la cara norte de la La gran pirámide de Giza en Egipto. Al año siguiente, el mismo equipo detectó un misterioso vacío en otra área de la pirámide, creyendo que podría ser una cámara oculta, que luego fue mapeada usando dos diferentes imágenes de muones métodos. Y el mes pasado, los científicos utilizaron imágenes de muones para descubrir una cámara previamente oculta en las ruinas de la antigua necrópolis de Neapolis, a unos 10 metros (alrededor de 33 pies) por debajo de la actual Nápoles, Italia.

Es posible que algún día los robots y los vehículos autónomos sean comunes en hogares, hospitales, fábricas y operaciones mineras, así como en misiones de búsqueda y rescate, pero aún no existe un medio universal de navegación y posicionamiento, según Tanaka. y otros. Como se señaló, el GPS no puede penetrar bajo tierra o bajo el agua. Las tecnologías RFID pueden lograr una buena precisión con baterías pequeñas, pero requieren un centro de control con servidores, impresoras, monitores, etc. El cómputo está plagado de errores de estimación crónicos sin una señal externa que proporcione la corrección. Los enfoques acústicos, de escáner láser y Lidar también tienen desventajas. Así que Tanaka y sus colegas recurrieron a los muones cuando desarrollaron su propio sistema alternativo.

Los métodos de obtención de imágenes de muones normalmente implican cámaras llenas de gas. A medida que los muones atraviesan el gas, chocan con las partículas de gas y emiten un destello de luz revelador (centelleo), que es registrado por el detector, lo que permite a los científicos calcular la energía y la trayectoria de la partícula. Es similar a las imágenes de rayos X o al radar de penetración terrestre, excepto por los muones de alta energía que ocurren naturalmente en lugar de los rayos X o las ondas de radio. Esa energía superior hace posible la imagen de una sustancia espesa y densa. Cuanto más denso es el objeto de la imagen, más muones se bloquean. El sistema Muographix se basa en cuatro estaciones de referencia de detección de muones sobre el suelo que sirven como coordenadas para los receptores de detección de muones, que se instalan bajo tierra o bajo el agua.

el equipo lideró la primera prueba de un conjunto de sensores de muones submarinos en 2021, usándolo para detectar cambios rápidos en las condiciones de las mareas en la Bahía de Tokio. Colocaron diez detectores de muones dentro del túnel de servicio de carreteras Aqua-Line de la Bahía de Tokio, que se encuentra a unos 45 metros (147 pies) por debajo del nivel del mar. Pudieron visualizar el mar sobre el túnel con una resolución espacial de 10 metros (casi 33 pies) y una resolución temporal de un metro (3,3 pies), suficiente para demostrar la capacidad del sistema para detectar fuertes marejadas ciclónicas o tsunamis.

La matriz se puso a prueba en septiembre de ese año, cuando Japón fue golpeado por un tifón que se acercaba desde el sur, produciendo pequeñas olas oceánicas y tsunamis. El volumen extra de agua ligeramente incrementado la dispersión de muones, y esa variación coincidía bien con otras medidas de las olas del océano. Y el año pasado, el equipo de Tanaka informó que sí reanudado con éxito el perfil vertical de un ciclón usando muografía, mostrando secciones transversales del ciclón y revelando cambios en la densidad. Descubrieron que el núcleo caliente era de baja densidad, en contraste con el exterior frío y de alta presión. Junto con los sistemas de seguimiento por satélite existentes, la muografía podría mejorar las predicciones de ciclones.

Las iteraciones anteriores del equipo conectaron el receptor a la estación terrestre con un cable, lo que restringió en gran medida el movimiento. Esta nueva versión, Muometric Wireless Navigation System, o MuWNS, es, como su nombre lo indica claramente, completamente inalámbrico y utiliza relojes de cuarzo de alta precisión para sincronizar las estaciones terrestres con el receptor. Colectivamente, las estaciones de referencia y los relojes sincronizados permiten determinar las coordenadas del receptor.

Para la prueba, las estaciones terrestres se colocaron en el sexto piso de un edificio y un «navegante» que sostenía el receptor navegaba por los pasillos del sótano. Las medidas resultantes se utilizaron para calcular el rumbo del navegante y confirmar la ruta recorrida. Según Tanaka, MuWNS funcionó con una precisión de entre 2 y 25 metros (6,5 a 82 pies), con un alcance de hasta 100 metros (alrededor de 328 pies). «Esto es tan bueno, si no mejor, que el posicionamiento GPS de un solo punto en la superficie en áreas urbanas», dijo. «Pero todavía está lejos de ser un nivel práctico. La gente necesita una precisión de un metro, y la clave para eso es la sincronización del tiempo».

Una solución sería incorporar relojes atómicos a escala de chip disponibles comercialmente, que son dos veces más precisos que los relojes de cuarzo. Pero esos relojes atómicos son demasiado caros en este momento, aunque Tanaka espera que el costo baje en el futuro a medida que la tecnología se incorpore más ampliamente a los teléfonos celulares. El resto de la electrónica utilizada en MuWNS se miniaturizará en el futuro para convertirlo en un dispositivo portátil.

DOI: iScience, 2023. 10.1016/j.isci.2023.107000 (Sobre los DOI).